Fremgang i kvalitetssikring av betongdekkeblandingsdesign ved bruk av petrografi og fluorescensmikroskop

Ny utvikling innen kvalitetssikring av betongdekker kan gi viktig informasjon om kvalitet, holdbarhet og samsvar med hybride designforskrifter.
Konstruksjon av betongdekke kan oppleve nødsituasjoner, og entreprenøren må verifisere kvaliteten og holdbarheten til plasstøpt betong. Disse hendelsene inkluderer eksponering for regn under støpeprosessen, etterpåføring av herdemidler, plastisk krymping og sprekkdannelser i løpet av få timer etter støping, og problemer med betongtekstur og herding. Selv om styrkekravene og andre materialtester er oppfylt, kan ingeniører kreve fjerning og utskifting av dekkedeler fordi de er bekymret for om de plasstøpte materialene oppfyller spesifikasjonene for blandingsdesignet.
I dette tilfellet kan petrografi og andre komplementære (men profesjonelle) testmetoder gi viktig informasjon om kvaliteten og holdbarheten til betongblandinger og om de oppfyller arbeidsspesifikasjonene.
Figur 1. Eksempler på fluorescensmikroskopmikroskopbilder av betongpasta ved 0,40 w/c (øvre venstre hjørne) og 0,60 w/c (øvre høyre hjørne). Figuren nede til venstre viser enheten for måling av resistiviteten til en betongsylinder. Figuren nede til høyre viser forholdet mellom volumresistivitet og w/c. Chunyu Qiao og DRP, et Twining-selskap.
Abrams lov: «Trykkfastheten til en betongblanding er omvendt proporsjonal med forholdet mellom vann og sement.»
Professor Duff Abrams beskrev først forholdet mellom vann-sement-forhold (v/c) og trykkfasthet i 1918 [1], og formulerte det som nå kalles Abrams lov: «Trykkfastheten til betong Vann/sement-forhold.» I tillegg til å kontrollere trykkfastheten, er vannsement-forholdet (v/cm) nå foretrukket fordi det anerkjenner erstatning av portlandsement med supplerende sementeringsmaterialer som flyveaske og slagg. Det er også en nøkkelparameter for betongs holdbarhet. Mange studier har vist at betongblandinger med v/cm lavere enn ~0,45 er holdbare i aggressive miljøer, for eksempel områder utsatt for fryse-tine-sykluser med avisingssalter eller områder der det er en høy konsentrasjon av sulfat i jorden.
Kapillarporer er en iboende del av sementblanding. De består av rommet mellom sementhydreringsprodukter og uhydrerte sementpartikler som en gang var fylt med vann. [2] Kapillarporer er mye finere enn innkapslede eller innestengte porer og bør ikke forveksles med dem. Når kapillarporene er koblet sammen, kan væske fra det ytre miljøet migrere gjennom pastaen. Dette fenomenet kalles penetrasjon og må minimeres for å sikre holdbarhet. Mikrostrukturen til den slitesterke betongblandingen er at porene er segmenterte snarere enn koblet sammen. Dette skjer når w/cm er mindre enn ~0,45.
Selv om det er notorisk vanskelig å måle w/cm av herdet betong nøyaktig, kan en pålitelig metode gi et viktig kvalitetssikringsverktøy for å undersøke herdet plasstøpt betong. Fluorescensmikroskopi gir en løsning. Slik fungerer det.
Fluorescensmikroskopi er en teknikk som bruker epoksyharpiks og fluorescerende fargestoffer for å belyse detaljer i materialer. Den er mest brukt innen medisinsk vitenskap, og den har også viktige anvendelser innen materialvitenskap. Den systematiske anvendelsen av denne metoden i betong startet for nesten 40 år siden i Danmark [3]; den ble standardisert i Norden i 1991 for estimering av v/c i herdet betong, og ble oppdatert i 1999 [4].
For å måle w/cm av sementbaserte materialer (dvs. betong, mørtel og fugemasse), brukes fluorescerende epoksy til å lage en tynn seksjon eller betongblokk med en tykkelse på omtrent 25 mikron eller 1/1000 tomme (figur 2). Prosessen innebærer at betongkjernen eller sylinderen kuttes i flate betongblokker (kalt emner) med et areal på omtrent 25 x 50 mm (1 x 2 tommer). Emnet limes til et glass, plasseres i et vakuumkammer, og epoksyharpiks introduseres under vakuum. Etter hvert som w/cm øker, vil konnektiviteten og antallet porer øke, slik at mer epoksy vil trenge inn i pastaen. Vi undersøker flakene under et mikroskop ved hjelp av et sett med spesielle filtre for å eksitere de fluorescerende fargestoffene i epoksyharpiksen og filtrere ut overflødige signaler. På disse bildene representerer de svarte områdene aggregatpartikler og uhydrerte sementpartikler. Porøsiteten til de to er i utgangspunktet 0 %. Den lysegrønne sirkelen er porøsiteten (ikke porøsiteten), og porøsiteten er i utgangspunktet 100 %. En av disse egenskapene. Det flekkete grønne «stoffet» er en pasta (figur 2). Etter hvert som w/cm og kapillærporøsiteten til betong øker, blir den unike grønne fargen på pastaen lysere og lysere (se figur 3).
Figur 2. Fluorescensmikrografi av flak som viser aggregerte partikler, hulrom (v) og pasta. Den horisontale feltbredden er ~ 1,5 mm. Chunyu Qiao og DRP, et Twining-selskap.
Figur 3. Fluorescensmikrografer av flakene viser at etter hvert som w/cm øker, blir den grønne pastaen gradvis lysere. Disse blandingene er luftet og inneholder flyveaske. Chunyu Qiao og DRP, et Twining-selskap
Bildeanalyse innebærer å trekke ut kvantitative data fra bilder. Det brukes i mange forskjellige vitenskapelige felt, fra fjernmålingsmikroskoper. Hver piksel i et digitalt bilde blir i hovedsak et datapunkt. Denne metoden lar oss knytte tall til de forskjellige grønne lysstyrkenivåene som sees i disse bildene. I løpet av de siste 20 årene eller så, med revolusjonen innen stasjonær datakraft og digital bildeopptak, har bildeanalyse nå blitt et praktisk verktøy som mange mikroskopister (inkludert betongpetrologer) kan bruke. Vi bruker ofte bildeanalyse for å måle kapillærporøsiteten til slammet. Over tid fant vi ut at det er en sterk systematisk statistisk korrelasjon mellom w/cm og kapillærporøsiteten, som vist i følgende figur (figur 4 og figur 5).
Figur 4. Eksempel på data hentet fra fluorescensmikrografer av tynne snitt. Denne grafen plotter antall piksler ved et gitt grånivå i et enkelt fotomikrografi. De tre toppene tilsvarer aggregater (oransje kurve), pasta (grått område) og hulrom (ufylt topp helt til høyre). Pastaens kurve lar en beregne gjennomsnittlig porestørrelse og standardavviket. Chunyu Qiao og DRP, Twining Company Figur 5. Denne grafen oppsummerer en serie w/cm gjennomsnittlige kapillærmålinger og 95 % konfidensintervaller i blandingen som er sammensatt av ren sement, flyveaskesement og naturlig pozzolanbindemiddel. Chunyu Qiao og DRP, et Twining Company
Til syvende og sist kreves det tre uavhengige tester for å bevise at betongen på stedet er i samsvar med spesifikasjonene for blandingsdesignet. Så langt det er mulig, innhent kjerneprøver fra plasseringer som oppfyller alle akseptkriterier, samt prøver fra relaterte plasseringer. Kjernen fra den aksepterte utformingen kan brukes som en kontrollprøve, og du kan bruke den som et referansepunkt for å evaluere samsvaret med den relevante utformingen.
Vår erfaring er at ingeniører med dokumenterte resultater ser dataene fra disse testene, og vanligvis godtar plassering hvis andre viktige tekniske egenskaper (som trykkfasthet) er oppfylt. Ved å tilby kvantitative målinger av vekt/cm og formasjonsfaktor kan vi gå utover testene som er spesifisert for mange jobber for å bevise at den aktuelle blandingen har egenskaper som vil føre til god holdbarhet.
David Rothstein, Ph.D., PG, FACI er sjefslitograf for DRP, et Twining-selskap. Han har mer enn 25 års profesjonell erfaring som petrolog og har personlig inspisert mer enn 10 000 prøver fra mer enn 2000 prosjekter over hele verden. Dr. Chunyu Qiao, sjefsforsker for DRP, et Twining-selskap, er geolog og materialforsker med mer enn ti års erfaring innen sementering av materialer og naturlige og bearbeidede steinprodukter. Hans ekspertise inkluderer bruk av bildeanalyse og fluorescensmikroskopi for å studere betongens holdbarhet, med spesiell vekt på skader forårsaket av avisingssalter, alkali-silisiumreaksjoner og kjemiske angrep i avløpsrenseanlegg.